“为什么看似简单的结论却需要气候学家们费这么大的功夫去研究？”
黄平
中国科学院大气物理研究所研究员
大家好，我是来自中国科学院大气物理研究所的黄平，今天我分享的主题是气候变化。
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研究气候≠天气预报
地球气候起源其实是研究地球生物起源和地球文明起源的重要部分，地球气候对整个人类社会的格局有着重要的影响。
我是研究气候的，经常有人问我，研究气候就是做天气预报吗？我们先来看两张气温和降水的天气预报图。
天气预报图
从图中你会发现，在这几天，中国北方的气温明显比南方的气温高，这显然不符合我们对6月气候的一般性认识。所以，气候学家研究的不是最近一两天的天气，而是更长时间尺度上的气候变化。
气候种类
网上有一个关于气候的定义：一个地方多年的天气平均状况。中学时我们就知道，气候被划分成几个部分，比如季风气候、大陆性气候、高原气候等。
其实很早以前我们的祖先就认识到了，气候并不是一成不变的，我们所强调的风“调”雨“顺”的平均气候状态并不易得。据统计，汉代以来，我国不到两年就有一次旱灾，不到三年就有一次涝灾。但古人对气候的理解非常薄弱，只能通过各种形式祈求风调雨顺，比如到天坛祈天，观看星象等。
现在我们知道，影响气候的因素有很多，比如大气、陆地和海洋所包含的各种信号，特别是海洋。海水的热容量很高，变化比较慢，所以海洋存储的地球气候信息能够长时间地影响大气气候。
如果你穿越回去跟古人说，地球另一边某个海洋的异常会影响我们这边的旱涝情况，古人可能觉得你是鬼怪派来影响他们祈天的。在古代，人类的认识是有局限的。
二战之后世界整体相对稳定，国际贸易和海上观测得到发展，这也让科研人员有机会积累长时间的稳定可靠的资料，从大的时间尺度去观察到底气候是如何变化的。
同时，随着计算机和数理方程数值解法的发展，气候学这一原本无法通过实验来开展的学科，逐渐变成了一个可以用数值实验工具来研究的学科。
海上观测、卫星观测和超级计算机观测
1977年和1978年发生了非常强的厄尔尼诺事件，1982年和1983年再次发生强厄尔尼诺事件，这几次事件对全球气候造成了重要的影响。借助整个社会的发展基础和厄尔尼诺事件，20世纪80年代以来，全球气候学研究迎来了爆发式的发展。发展的第一步就是建立观测体系，人们展开了大量的海上观测、卫星观测和超级计算机的模拟。
观测听上去好像很简单，就是观察，但所有的观测设备都非常贵，动辄就是上百亿元。所以，只有人类文明和工业化能力达到某种程度以后，我们才有能力通过更先进的设备去了解地球，研究地球。
以前的人们只能用非常简单的数值模式来预测厄尔尼诺，现在我们已经有了业务化的观测程序，比如我们的国家气候中心可以对厄尔尼诺等气候进行长期的预测。这方面我们已经取得了非常好的成绩，也获得了很大的收益。
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二氧化碳导致全球变暖
随着观测的时间越来越长，我们发现，气候除了年与年之间会振荡，最近几十年还有一个很明显的持续升温的趋势。
全球温度持续升高
这不是科学家想象出来的，而是人类对地球的观测达到一定程度后得出的结果。这种增温趋势在很多自然现象里也有反映。
北极海冰范围明显萎缩
这张图中浅蓝色显示的是2018年北极海冰的大致范围，黄线圈起来的部分是1981年北极海冰的范围。两者相比，我们可以很明显地看到，北极海冰的范围在过去30年里发生了明显的萎缩。
天山冰川面积明显萎缩
大家看这张图，2018年天山的冰川面积和2008年、2001年相比，都有了很明显的萎缩。这些都是全球逐渐暖化的表现。
过去30年，气候变暖现象受到人们很大的关注。科学家们分析了所有可能会对气候变化产生影响的因子后发现：现在的气候变化的周期非常短，速度非常快，而其他一些如太阳、地球自转轴等影响地球活动变化的因素都没有在短时间内发生如此剧烈的变化。
因此，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在2013年的评估报告中得出了一个明确且谨慎的结论：目前发生的气候变暖现象极有可能是人类自工业革命以来大量排放的二氧化碳所引起的。工业革命以来，人们对能源的利用主要依赖于化石燃料的燃烧，化石燃料的燃烧必然会往空气中排放二氧化碳。
二氧化碳排放量
我们一起来看看这张图的相关数据，过去80万年以来，二氧化碳的水平一直在100ppm-200ppm之间。但工业革命以来短短的两三百年，二氧化碳的值就达到了另一个高峰，已经增加了40%。
温室气体对地球的影响
为什么二氧化碳会对气候造成重要影响呢？太阳会对地球产生辐射，但太阳的温度非常高，它的辐射波长短，温室气体是无法吸收的。
而地球温度比较低，地球发射的辐射波长较长，刚好可以被二氧化碳的分子结构所吸收，或者其他的水汽、甲烷等温室气体可以吸收。这个过程是很多行星气候的形成过程中必不可少的温室气体的效应。据测算，对于地球而言，目前二氧化碳等温室气体提供了大概33摄氏度的保温效果。
因此，在这样快速变化的过程中，目前科学家公认的结论是：气候变暖极有可能是二氧化碳的排放导致的。
全球人口分布
或许有朋友会说，对于北方而言，温度升高一点有什么影响呢？没准农作物会长得更好呢。事实果真如此吗？现在人类的生活建立在过去两三百年以来的现代工业文明基础上。通过这张图，我们可以很清晰地看到，目前全球有一半的人口都居住在沿海60千米以内的范围，人口如此分布主要是由现代工业文明的整体发展状况决定的。
由于沿海居民的密度是内地居民密度的十倍，可以想象，当全球气候变暖，气温升高之后，陆地冰川将会融化，海平面将会上升，随之而来的风暴潮、台风等就会严重影响沿海居民的生活。
除了全球气候，人们还很关心自己所处的区域气候变化情况。比如对于西北太平洋和亚洲沿岸来讲，气温升高带来的直接灾害影响就是台风。台风不仅影响我们，也影响全球很多的地区。
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全球温度升高，台风强度会变得更强吗？
未来台风会变得更强还是变得更弱呢？其实，区域气候变化问题也是过去20年来，气候学研究过程中非常热门的一个课题。
人们对台风的研究好像已经很多了，比如谈到台风的结构，科学家们会讲得头头是道。但面对“全球温度升高，台风强度会变得更强吗”这一看似简单而具体的问题，科学家们却手忙脚乱。他们或许可以写出很复杂的台风预测公式，但却无法准确回答这样的问题。
北半球台风的结构
台风其实是一个热机的过程，是下层的温暖的水汽带着很强的潜热输送到大气上层，然后潜热释放，转换为动能的一个过程。
这个过程看似非常简单，好像是全球变暖了，海洋温度升高了，水汽更多了，所以台风强度会变得更强。
听起来气候学家做的事情似乎很简单，但真的这么简单吗？如果真的这么简单，为什么直到2005年美国科学家才在《Nature》上发表相关文章，证明台风的强弱变化的趋势和海水温度的升降有关呢？
当年为了找到比较确切的证据，科学家们从观测、理论和数值模拟上做了大量工作，最后才得出全球台风的变化趋势和海温确实有着非常明显的直接关系。那就是：全球变暖后，海温会升高，台风强度会变强。
这种理论在2005年发表后，目前已被引用了3400多次。可以说，这一理论在全球变暖研究方面有非常大的影响力。
为什么这些看似简单的结论却需要气候学家们费这么大的功夫去研究呢？最主要是因为，我们之前所看到的仅仅是现象，是一些定性的东西，而定量的证据和结论是很欠缺的。
之前我对这个问题的认识也仅限于此。直到2013年一个偶然的机会，我参加了一个会议，会上听一位老师提到了一个我之前完全不了解的现象：台风的风力非常强，它会把海洋下层的冷水给卷起来。
台风自带“刹车”
大家知道，海洋上层因为直接受到太阳的辐射，所以水温较热，而下层水温较冷。我们在卫星上可以看得很清楚，当代表台风的黑线跑过去之后，海水确实变得更冷一点。如果台风将海洋下层较冷的海水卷起来，那是不是意味着会抑制台风强度的进一步增加呢？就好像台风自带“刹车”一样。
不过，这个刹车的作用有强有弱。当上层温暖海水比较薄的时候，台风卷起来的冷水比较冷，刹车作用就比较强；当上层温暖海水比较厚的时候，台风卷起来的冷水没那么冷，刹车作用就比较弱。
这个过程依赖很多因素，缺乏定量数据，到底多厚的海水能对台风强度带来影响呢？
2010年，有科学计划进行了海陆空联合观测。大家知道，台风在海上移动，它的风速非常快，它的核心区是天气极其恶劣的状态，飞机、轮船追着台风进行观测是很难的。
为了这项研究，科学家投入了很多资源，最后得出一个结论：在西北太平洋，台风确实能够卷起海洋下层的冷水，能卷起的最大厚度为80-100米，其对台风的影响大约等同于上层80-100米海水混合后的平均温度。这是第一次确切地回答了这个问题。
所以，如果人们在预测台风强度的时候，能考虑80-100米的海水温度，就比只考虑海洋表面的温度要更合理和准确。
当年我在听那位老师做报告的时候，并没有听到他讲到的上述问题和全球变暖有什么关系。听到这个故事之后，我觉得很有意思，2013年我正在做关于气候变化问题的研究。
全球变暖观测与预估结果
大家看，这两张图分别是历史观测的结果和模式预估的结果。我马上就想到，在二氧化碳增加所引起的辐射中，海水表层的温度增加得比较快，下层增加得比较慢。
因此，我想我们不能仅仅以海水表层的温度去估计它对台风强度的作用，要对一些研究进行修正，否则就会高估海洋增温对台风的促进作用。所以，我当时认为2005年所提出的结论可能需要做一些修正，不是很完整，我们需要考虑整层的过程。
这个物理过程听起来好像很简单，但对于科研人员来说，痛苦才刚刚开始。从2015年开始，我们经历了两年的时间，不断利用更新的观测资料，不断修正理论模型，不断改进模式框架，和审稿团队反复辩论、质疑、争论，最终估算出了一个现在看起来还算是比较合理的结果。到底台风和海洋的过程对于未来估算台风的增强有多大的作用？我们认为这个作用是不可忽视的。
后来，所有做数值模式预测未来台风变化的机构和人员，都开始考虑我们提出的机制，把台风和海洋的相互作用看成是预测台风发展趋势必不可少的因素。
很多人都以为做全球变暖的研究就是拿一个数值模式甚至自己造一个数值模式去算，出来的结果五花八门，什么说法都有，其实并不是这样的。
真正做气候变化的研究，特别是区域气候变化的研究，需要考虑的因素非常多，不仅仅是利用数值模式进行简单的模拟。
原来的观测、理论、模拟或许可以用来做一些天气预报，比如台风路径的预报，但都缺乏对全球变暖这个变量的考虑。当把这个变量加进去之后，全球气候会产生什么样的连锁反应，我们其实并不清楚，我们的认识还是缺失的。
所以我们是把全球变暖这一因素加到全球气候的理论框架当中，尽可能去考虑全球变暖到底会对哪些方面产生影响，从而构建更充分的理论基础，增强我们的模拟。最后当一切都提高了之后，我们去预估它在全球变暖下的变化，就是一个顺理成章的过程了。
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科学必然存在质疑与辩论
经常有人问我，你说得头头是道，好像很有道理，但你能验证你的说法吗？非常遗憾，气候研究是特别长时间尺度的趋势研究，很难像天气预报那样，一两天就可以给你看验证结果。
最简单的气候预测也最少需要大半年甚至一年的时间去验证。比如厄尔尼诺现象，预测结果半年到1年就能验证，但是从研究建模再到预测再到验证，最终这一切研究得到大家认可，经过了约10年的时间。现代气候变暖的研究不过刚刚发展了30年，很庆幸的是，我们现在已经逐渐有了一些可以验证的预测。
全球变暖预测对比
上图是1989年美国科学家在《Nature》上发表的文章中的一幅图，当时他们预测全球变暖之后，地球上有的地方增温会很高，有的地方没有那么高的分布情况。
从上图中可以看到，他们利用的数值模式粗糙到连大陆轮廓都看不清。但是30年后，如下图所示，我们根据过去50年分析得到了全球增温高低分布的情况。
所以，或许我们已经在全球变暖的区域气候变化上取得了很多潜在的研究成就，只是暂时没有办法验证而已。
在我们做气候变化研究的这么多年里，始终有各种质疑伴随着我们，很多人都不相信我们的研究，这其实是很正常的。
科学家每天都在经历各种质疑，科学的质疑与辩论是科学家与生俱来的特质。从另一个角度来说，对全球变暖的质疑也是对大家进行现代科学研究范式的一种普及。
在未知的边缘试探
大家都是在利用自己的能力极限，在整个人类知识的边界，在好奇心的驱动之下，做一系列疯狂地试探而已。
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